Способ формирования погруженного оптического волновода в стекле

Способ формирования погруженного оптического волновода в стекле

Реферат

Изобретение относится к технологии оптических материалов и может быть использовано в интегральной оптике для изготовления волноводов и волноводных структур, а также для изготовления волноводных датчиков и сенсоров.

Основным компонентом интегрально-оптических устройств является оптический волновод, который может быть использован как для передачи оптических сигналов, так и входить в состав интегрально-оптических устройств, управляющих оптическими сигналами: оптических переключателей и коммутаторов, волноводных фильтров, резонаторов и т.д. Оптический волновод представляет собой протяженную структуру из оптически прозрачного материала с показателем преломления большем, чем показатель преломления окружающей среды. Для изготовления оптических волноводов используют методы фотолитографии, вакуумного напыления, диффузии, ионного обмена, ионной имплантации и другие. Последние три метода используются для формирования внедренных или погруженных оптических волноводов, т.е. волноводов, расположенных в объеме подложки интегрально-оптического устройства.

Известен способ формирования погруженных оптических волноводов в диэлектриках, заключающийся в том, что в приповерхностный слой диэлектрика через маску методом диффузии вводят ионы примеси (например, ионы металла) [Taylor H.F., Martin W.E., Hall D.B. Fabrication of single-crystal semiconductor optical waveguides by solid-state diffusion. // Appl. Phys. Lett. 1972. V.21. I.3. P.95-98]. Изменение химического состава приповерхностного слоя приводит к локальному увеличению показателя преломления и формированию оптического волновода. Недостатком способа является необходимость использования фотолитографии для изготовления маски.

Известен способ формирования погруженных оптических волноводов в диэлектриках, заключающийся в том, что приповерхностный слой диэлектрика облучают ускоренными ионами примеси [Somekh S., Garmire E., Yariv A., Garvin H.L., Hunsperger R.G. Channel Optical Waveguides and Directional Couplers in GaAs-lmbedded and Ridged // Appl. Opt. 1974. V.13. I.2. P.327-330]. Ионы примеси, внедряясь в приповерхностный слой диэлектрика, приводят к изменению его химического состава, к локальному увеличению показателя преломления и формированию оптического волновода. Недостатком метода имплантации является необходимость использования фотолитографии для изготовления маски.

Известен способ формирования погруженных оптических волноводов в диэлектриках, заключающийся в том, что приповерхностный слой диэлектрика, например стекла, облучают сфокусированными лазерными импульсами фемтосекундной длительности, причем лазерный луч перемещают вдоль направления формируемого волновода [G.Cheng, K.Mishchik, C.Mauclair, E.Audouard, R.Stoian Ultrafast laser photoinscription of polarization sensitive devices in bulk silica glass // Opt. Express. V.17. No 12. P.9515. 2009]. Модификация структуры стекла в зоне облучения приводит к появлению локальных механических напряжений, увеличивающих показатель преломления, и формированию оптического волновода. Недостатком способа является импульсно-периодический режим обработки, приводящий к пространственной неоднородности формируемого волновода.

Известен способ формирования погруженных оптических волноводов в стеклах, заключающийся в том, что стекла помещают в расплав соли металла, например азотнокислого серебра, проводят процесс ионного обмена, после чего стекло подвергают термообработке [Н.В.Никоноров, Г.Т.Петровский. Стекла для ионного обмена в интегральной оптике: современное состояние и тенденции дальнейшего развития (обзор). // Физ. и хим. стекла, 1999, Т.25, №1, С.21-69. A.Tervonen, S.Honkanen, M.Leppihalme. Control of ion-exchange waveguide profiles with Ag thin-film sources // J. Appl. Phys. 62. N3. P.759. 1987]. При ионном обмене ионы металла внедряются в приповерхностный слой стекла, что приводит к увеличению показателя преломления этого слоя. Недостатком способа является необходимость использования дополнительных фотолитографических процессов для создания в приповерхностном слое стекла волноводов заданной конфигурации.

Известен способ формирования слоев наночастиц металлов в стекле, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что стекло, содержащее ионы серебра или меди, подвергают облучению электронами, после чего проводят термообработку стекла [заявка на патент РФ №2008143850, от 05.11.2008, решение о выдаче патента от 17.02.2010]. Данный способ позволяет формировать погруженный волновод с металлическими наночастицами в приповерхностном слое стекла. Недостатком способа является увеличение коэффициента оптического поглощения в слое за счет формирования в нем поглощающих металлических наночастиц. Такой волновод имеет высокие потери из-за наличия в нем наночастиц.

Изобретение решает задачу повышения точности и технологичности изготовления погруженных оптических волноводов заданной геометрии с высоким эффективным показателем преломления и малыми оптическими потерями, а также возможности варьирования глубины залегания и толщины волновода в подложке.

Поставленная задача решается следующим образом.

Приповерхностный слой стекла, содержащего ионы щелочного металла, например Na, K, Li, в области формирования волновода облучают электронами с энергией 5-20 кэВ и дозой облучения 0.5-10 мК/см² при плотности электронного тока 0.5-10 мкА/см². После облучения электронами стекло подвергают термообработке при температуре 350-400°C в течение 1-2 ч.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим.

При облучении электронами стекла с ионами щелочных металлов области формирования волновода в приповерхностном слое стекла формируется отрицательный объемный заряд, связанный с накоплением термализованных электронов и высоким удельным сопротивлением стекла, толщина слоя объемного заряда при начальной энергии электронов менее 10 кэВ не превышает 0.5 мкм. Напряженность электрического поля, создаваемого таким слоем объемного заряда, может достигать 100-200 кВ/см [M.Touzin, D.Goeriot, C.Guerret-Piécort, D.Juvé, D.Tréheux, H.-J.Fitting // J. Appl. Phys. 99. 114110. 2006]. Электрическое поле высокой напряженности приводит к появлению полевой миграции в область отрицательного объемного заряда положительных ионов щелочного металла, обладающих в стеклах высокой подвижностью [A.Tervonen, S.Honkanen, М.Leppihalme // J. Appl. Phys. 62. 759. 1987]. Полевая миграция положительных ионов происходит на протяжении всего процесса облучения электронами. В результате часть ионов щелочного металла из объема стекла перемещается в приповерхностный слой. При этом вблизи поверхности стекла формируется локальная область с высокой концентрацией ионов щелочного металла, а в глубине стекла - область с пониженной концентрацией указанных ионов. Это приводит к появлению в приповерхностном слое стекла области с повышенным показателем преломления, а в глубине стекла - области с пониженным показателем преломления относительно показателя преломления исходного стекла. Такая структура является погруженным оптическим волноводом с градиентным профилем показателя преломления. Формирование волновода в виде двух слоев - с повышенным и пониженным показателями преломления относительно показателя преломления исходного стекла улучшает эффективность каналирования волноводных мод.

Запись волновода с помощью сканирующего электронного микроскопа, перемещающего электронный луч по поверхности подложки по заданной программе, позволяет формировать волновод заданной геометрии. Изменение энергии электронов дает возможность регулировать глубину залегания волновода. При варьировании энергии электронов от 5 до 20 кэВ глубина залегания центра волновода от поверхности стекла будет изменяться от 0.5 до 6 мкм. Использование остро сфокусированного электронного луча позволяет получить пространственное разрешение менее 10 нм [Ч.Пул, Ф.Оуэнс. Нанотехнологии. - М.: Техносфера, 2004, 328 с.], что обеспечивает высокую точность изготовления волновода.

Последующая термообработка позволяет увеличить эффективный показатель преломления волновода за счет уменьшения локальных механических напряжений в стекле, а также увеличить толщину волновода за счет термической диффузии ионов щелочного металла из волноводной области. Так как ионы щелочных металлов в силу своей высокой химической активности не могут сформировать в стекле поглощающие металлические наночастицы, то увеличение их концентрации в приповерхностном слое стекла не приводит к увеличению поглощения в волноводном слое.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана зависимость эффективного показателя преломления сформированного волноводного слоя от угла падения излучения на призму ввода: 1 - до термообработки, 2 - после термообработки.

Далее сущность изобретения раскрывается на примере, который не должен рассматриваться экспертом как ограничивающий притязания изобретения.

В качестве подложки для волновода используют пластину из натриево-боро-силикатного стекла, по химическому составу близкого к оптическому стеклу К8. Толщина пластины 2 мм. Показатель преломления стекла n=1.511. На пластину методом вакуумного напыления наносят слой Al толщиной 100-200 нм для снятия заряда с поверхности стекла при облучении электронами. Облучение электронами производят с помощью сканирующего электронного микроскопа путем перемещения сфокусированного электронного луча вдоль формируемого волновода. Облучение электронами производят при следующих режимах: энергия электронов - 10 кэВ, доза электронного облучения - 5 мК/см², плотность тока электронов на поверхности стекла - 2.5 мкА/см², продолжительность облучения - 1000 с. Облучение электронами проводят при комнатной температуре. После электронного облучения пленку Al удаляют путем химического травления в 10% водном растворе KOH. Таким образом, в приповерхностном слое стекла уже сформирован оптический волновод. После этого, чтобы еще увеличить эффективный показатель преломления волновода за счет уменьшения локальных механических напряжений в стекле, а также увеличить толщину волновода за счет термической диффузии ионов щелочного металла из волноводной области, проводят термообработку стекла при температуре 350°C в течение 1 ч.

Длина сформированного волновода - 15 мм. Измерение эффективного показателя преломления производилось по методике, описанной в [B.C.Голубков, Н.Н.Евтихиев, В.Ф.Папуловский. Интегральная оптика в информационной технике.- М.: Энергоатомиздат. 1985. 152 с.]. Ввод и вывод в волновод линейно-поляризованного излучения (ТЕ-поляризация) с длиной волны 0.63 мкм производился призменным методом. Измерения показали, что облучение электронами позволяет сформировать вблизи поверхности стекла волноводный слой толщиной 0.5-1 мкм с эффективным показателем преломления n_эфф=1,537-1,575 для волноводной моды ТЕ₀. Таким образом облучение электронами позволяет локально увеличить эффективный показатель преломления по сравнению с показателем преломления исходного стекла на величину Δn=0.064. Измерения показали, что последующая термообработка стекла приводит к увеличению эффективного показателя преломления волновода для ТЕ₀-моды до n_эфф=1,583…1,595. Таким образом последующая термообработка позволяет локально увеличить эффективный показатель преломления по сравнению с показателем преломления исходного стекла на величину Δn=0.084. Измерение спектров поглощения волноводной области с помощью спектрофотометра Cary 500 показало, что в спектральном интервале 0.4-1 мкм коэффициент поглощения в волноводном слое не превышает коэффициента поглощения исходного стекла.

Для изготовления оптических волноводов по предлагаемому способу может быть использовано стандартное технологическое оборудование:

Для проведения облучения электронами - сканирующие электронные микроскопы или установки для электронной литографии.

Для термообработки - муфельные печи с программным управлением.

Предлагаемое техническое решение позволяет изготавливать погруженные оптические волноводы в тонких приповерхностных слоях стекол, повысить точность и технологичность изготовления волноводных слоев заданной геометрии, с высоким эффективным показателем преломления и малыми оптическими потерями, а также варьировать глубину залегания волновода в подложке и его толщину, улучшает эффективность каналирования направляемых волноводных мод. Достоинством способа является его совместимость с электронной литографией, а также возможность записи оптических волноводов в стандартных оптических силикатных стеклах, выпускаемых промышленностью.

1. Способ изготовления погруженного оптического волновода в стекле, заключающийся в облучении электронным пучком стекла, содержащего ионы металла, отличающийся тем, что приповерхностный слой стекла, содержащего ионы щелочного металла в области формирования волновода, облучают электронами с энергией 5-20 кэВ и дозой облучения 0,5-10 мК/см² при плотности электронного тока 0,5-10 мкА/см.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после облучения электронами стекло подвергают термообработке при температуре 350-400°C в течение 1-2 ч.